ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ YERALTI TERMAL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN FARKLI DOLGU MADDELERİNİN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI.

Transkript

1 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ YERALTI TERMAL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN FARKLI DOLGU MADDELERİNİN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Metin Özer YILMAZ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Yıl : 2005, Sayfa : 64 Jüri : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Prof. Dr. Serdar ÖZTEKİN Doç. Dr. Sultan GİRAY Dolgu malzemeleri Yeraltı Termal Enerji Depolama sistemlerinde ve Yer Kaynaklı Isı Pompalarında, kuyu ve ısı değiştirici boruları arasında kullanılmaktadır. Bu sistemler için ısı değiştiricilerin tasarımı dolgunun ısıl iletkenliğine ve kuyunun ısıl direnicine bağladır. Bu çalışmada, farklı dolgu maddeleri deneysel olarak laboratuar kuyu modelinde test edilmiştir. Deneylerde, ısı taşıyıcı akışkan farklı akışkan hızlarında U-boruda dolaştırılmıştır. U-boru içindeki giriş (T giriş ) ve çıkış sıcaklığı (T çıkış ) sistemin sürekliliğinde ölçülmüştür. Sıcaklılar kuyu içinde, U-boruda ve kuyu boru ile jeolojik formasyon arasında da ölçülmüştür. Ölçümler düzenli olarak 10 dakika aralılarla alınmıştır. Deney süresi 25 saattir. Bazalt dolgu maddelerinin ısıl direnci ve ısıl iletkenliği sıcaklık ölçümlerinden belirlenmiştir. Kuyunu ısıl direnci 0,012-0,576 (K/W) arsında ve sistemin ısıl iletkenliği 0,2-8,22 (W/mK) arasında bulunmuştur. Dolgu malzemesi olarak faz değiştiren maddeler kullanılarak Kuyularda Termal Enerji Depolaması sistemlerinden kısa süreli termal enerji depolama olanakları araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Yeraltı Termal Enerji Depolama, Kuyu içi Dolgu Maddesi, Faza Değiştiren Maddeler, Isıl İletkenlik, Isıl Direnç I

2 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATED THERMAL PROPERTIES OF DIFFERENT GROUTING MATERIALS USED IN UNDERGROUND THERMAL ENERGY STORAGE Metin Özer YILMAZ DEPARTMENT OF CHEMISTRY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Year : 2005, Pages : 64 Jury : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Prof. Dr. Serdar ÖZTEKİN Assoc. Prof. Dr. Sultan GİRAY Grouting or back-fill materials are used to seal the annulus between the borehole and heat exchanger loops in GSHP and UTES systems. Designing ground heat exhangers for these systems is dependent on thermal conductivity of the grouting and thermal resistance (R b ) of the borehole system. In this study, different grouting materials were tested in the experimental well model in the laboratory. In the experiments, the heat carrier fluid was circulated in U-pipe with different flowrate (l/s). Outlet (T wo ) and inlet (T wi ) temperatures in the U-pipe were measured at steadystate conditions. Temperatures were also measured in the borehole, in U-pipe and out of casing in the surrounding formation with thermocouples. The measurements were taken at regular intervals of 10 minutes. The duration of experiment was 25 hours. The thermal resistance and thermal conductivities of the bazalt grouting were determined using temperature measurements. Thermal resistance of borehole values were ranging from 0,012-0,576 (K/W) and thermal conductivity of system values were found 0,2-8,22 (W/mK). The effect of using PCM as grouting for the purpose of short term utilization of Borehole Thermal Energy Storage system were studied. Key Words: Underground Thermal Energy Storage, Borehole of Grouting Material, Phase Change Material (PCM), Thermal Conductivity, Thermal Resistance II

3 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ..I ABSTRACT.II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER...IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VII SİMGELER VE KISALTMALAR.IX 1. GİRİŞ Termal Enerji Depolaması (TED) Duyulur ısı depolama Gizli ısı depolama Termokimyasal Enerji Depolama Isı Depolama Sistemi Yeraltında Termal Enerji Depolaması (UTES; Underground Thermal Energy Storage) Kuyularda Termal Enerji Depolaması (KTED).8 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL METOD Materyal Deney Düzeneği KTED Modeli için Tank Su Isıtıcısı U-boru ve Kuyu boru Sirkülasyon Pompası Sıcaklık Ölçer (Data- Logger) ile Sıcaklık Ölçme Metodu Model 107 Sıcaklık Algılayıcısı Model 105T Sıcaklık Algılayıcısı Deney Süresince Kullanılan Dolgu Malzemeleri Bazalt.29 IV

4 Parafin Koko yağ asidi Palm yağ asidi Laurik asit Palmitik asit METOD Isıl İletkenlik (λ) ve Isıl Direnç Hesabı (R sistem ) Faz Değiştiri Maddelerin Karışımlarının Hazırlanması Koko Yağ Asidi, Palm Yağ Asidi ve Parafin Karışımı Laurik Asit ve Palmitik Asit Karışımı BULGULAR VE TARTIŞMA Bazalt Deneyleri Doğal Bazalt ,0-4 mm tanecik boyutunda bazalt ,0-1 mm tanecik boyutundaki bazalt örneği Su Faz Değiştiren Maddelerin Kullanılması Koko Yağı, Palm Yağı ve Parafin Karışımı Laurik Asit ve Palmitik Asit Karışımı SONUÇ VE ÖNERİLER...55 KAYNAKLAR...58 ÖZGEÇMİŞ...64 EK 1 Data-Logger Dosyası için DLD Dosyası EK 2 DSC Analiz Grafikleri V

5 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. Bentonite farklı dolgu malzemelerinin ilavesiyle λ (W/m,K) sonuçları Çizelge 2.2. Çimentolu dolgu maddesinin farklı su ve çimento oranlarında ısıl iletkenliği.. 16 Çizelge 2.3. Çimento tabanlı dolgu maddesine farklı katkı maddelerinin eklenmesi ile Dolgunu ısıl iletkenliği Çizelge 2.4. Farklı dolgu malzemelerinin kanal uzunluğuna etkisi Çizelge 2.5. Farklı dolgu malzemelerinin λ ve Rb. 17 Çizelge 2.6. Farklı boru tiplerinin kullanıldığı KTED sistemlerinde Rb değerleri Çizelge 2.7. Dolgu malzemesi normal yer altı formasyonu fiziksel özellikleri.. 19 Çizelge 2.8. IDT ve laboratuarda elde edilen λ (W/m,K) değerleri 21 Çizelge 3.1. Kullanılan TU-16A Model ısıtıcının özellikleri 25 Çizelge 3.2. U boru ve kuyu borunun özellikleri Çizelge 3.3. Su sirkülasyon pompasının devir sayısı 26 Çizelge 3.4. Model 107 sıcaklık algılayıcısının özellikleri 28 Çizelge 3.5. Bazaltın Kimyasal Analizi. 29 Çizelge 4.1 Bazaltın % Kütlece Artışı.. 38 Çizelge 4.2. Dolgu malzemelerinin T girişort, T çıkışort, Q ort, R sistemort, R dolguort ve λ ort VI

6 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Yeraltında termal enerji depolama teknikleri... 7 Şekil 1.2. Açık döngülü KTED uygulaması Şekil 1.3. Kapalı Döngü KTED sistemi.. 10 Şekil 1.4. KTED sistemlerinde kullanılan farklı geometrilerdeki boru kesitleri 10 Şekil 3.1. Kuyuda termal enerji depolama (KTED) modeli Şekil 3.2. Su tankı ve KTED modeli. 25 Şekil 3.3. Sıcaklık Ölçer (Data-Logger) CR10X.. 27 Şekil 3.4. Model 107 sıcaklık algılayıcısı Şekil 3.5. Model 105T sıcaklık algılayıcı Şekil 3.6. x,yönündeki ısı iletimi için ısıl direnç gösterimi. 33 Şekil 3.7. Kuyu kesiti ve ısıl direnç şeması.. 33 Şekil 4.1. Doğal bazaltın kuru ısınma ve soğuma eğrileri 39 Şekil 4.2. Doğal bazaltın kuru ısınma sırasındaki Q ve R sistem in zamanla değişimi.. 40 Şekil 4.3. Doğal nemli bazaltın ısınma ve soğuma eğrisi Şekil 4.4. Şekil 4.5. Doğal nemli bazaltın ısınma sırasındaki, Q ve R sistem in zamanla değişimi ,0-0,4 mm tanecik boyutunda bazalt örneğinin ısınma ve soğuma eğrileri. 43 Şekil ,0-4 mm tanecik boyutundaki kuru bazalt ın ısınma sırasındaki, Q ve R sistem in zamanla değişimi. 44 VII

7 Şekil 4.7. Şekil 4.8. Şekil 4.9. Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil ,0-4 mm tanecik boyutunda nemli bazalt örneğinin ısınma ve soğuma eğrileri 0,0-4 mm tanecik boyutundaki nemli bazalt ın ısınma Q ve R sistem in zamanla değişimi.. 0,0-1 mm tanecik boyutunda bazalt örneğinin ısınma ve soğuma eğrileri. 0,0-1 mm tanecik boyutundaki kuru bazalt ın ısınma sırasındaki Q ve R sistem in zamanla değişimi 0,0-1 mm tanecik boyutunda bazalt örneğinin nemli ısınma ve soğuma eğrileri.... 0,0-1 mm tanecik boyutundaki nemli bazalt ın ısınma sırasındaki Q ve R sistem in zamanla değişimi Su örneğinin nemli ısınma ve soğuma eğrileri. Suyun ısınma sırasındaki Q ve R sistem in zamanla değişimi. Koko yağı, palm yağı ve parafin karışımlı dolgunun donma eğrisi. Laurik asit ve palmitik asit karışımının donma eğrisi VIII

8 SİMGELER VE KISALTMALAR TED : Termal Enerji Depolama CFC : Kloroflorokarbon PCM : Faz Değiştiren Maddeler UTES : Yeraltında Termal Enerji Depolama GSHP : Yer Kaynaklı Isı Pompası ATED : Akiferde Termal Enerji Depolama KTED : Kuyularda Termal Enerji Depolama IDT : Isı Duyarlılık Testi PVC : Polivinilklorür PE : Polietilen Q : Enerji m : Kütle Cp : Özgül Isı λ : Isıl İletkenlik R : Isıl Direnç T : Sıcaklık T : Sıcaklık farkı T a T u T ki T kd T giriş T çıkış IEA : Akışkan Sıcaklığı : U-borunun dış yüzeyinin sıcaklığı : Kuyu iç duvar sıcaklığı : Kuyu dış duvar sıcaklığı : Giriş Sıcaklığı : Çıkış Sıcaklığı : Uluslar arası Enerji Ajansı IX

9 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ 1. GİRİŞ Günümüzde bütün dünya enerji sorununa çözüm getirme çabası içine girmiştir. Kullanımdaki enerjinin mevcut durumunu devam ettirmek, sürdürülebilir bir kalkınma ve gelecek için, yeni ve yenilenebilir kaynakların etkili kullanımının şart olduğu artık bütün dünya tarafından kavranmaktadır. Bugün için günlük yaşantımızda enerji vazgeçemeyeceğimiz bir gereksinimdir. Artan nüfus, şehirleşme ve endüstrileşme enerji gereksiniminin daha da artmasına neden olmaktadır. Dünya enerji gereksiniminin %78 fosil yakıtlarla karşılanmaktadır. Fosil yakıtlar gün geçtikçe tükenmekte olup geri dönüşüm süreleri çok uzundur. Fosil yakıtların; çok uzun vadede yenilenmeleri, yanması sonucunda CO x, NO x ve SO x gibi gazların emisyon şiddetlerinin artması, asit yağmuruna sebep olması, sera etkisini artırması, uçucu organik bileşikler ve radyoaktif maddeler açığa çıkarması ve ozon tabakasına zarar vermesi kullanımları sırasında meydana gelen olumsuz sonuçlardır. Özellikle Türkiye gibi enerji gereksinimi gittikçe artan, ancak yerli kaynakları bu ihtiyacını karşılayamayacak olan ülkelerde enerjinin ithal edilmesi gerekmektedir. Bu durum ülkemizin her geçen gün biraz daha dışa bağımlı hale gelmektedir. Bu dışa bağımlılık yakın gelecekte Türkiye nin siyasi ve ekonomik bakımdan güç kaybetmesine sebep olacaktır. Enerji üretim ve tüketimindeki bu tablo araştırmacıları ekonomik, temiz ve çevreyle dost olan yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarını bulmaya itmektedir. Yeni enerji kaynakları arasında rüzgar, güneş, hidroelektrik, biyogaz ve jeotermal enerji sayılabilir enerji krizi sonrası başlatılan çalışmalar, çevresel boyutların da devreye girmesi ile ivme kazanmıştır. Bu çalışmalar içinde, mevcut doğal kaynakları değerlendirmeye yönelik olarak, termal enerji depolama yoluyla kullanma yöntemleri önemli bir yer tutmaktadır. Enerji tasarrufunun ve verimliliğinin artırılması, yeni enerji kaynaklarının devreye sokulmasından daha ekonomiktir. Termal enerji depolama teknikleri (TED) ile kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil yakıtların kullanımını azaltıp, enerji verimliliğini artırarak dünyada artan enerji talebine alternatif çözümler getirilir. Dünyada geniş bir şekilde kullanılan bu sistemler Türkiye de henüz yaygın bir kullanıma sahip değildir. Kısa süre içerisinde yapılan 1

10 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ çalışmalar sonucu, Termal Enerji Depolama (TED) Teknolojilerinin çevre ile dost ve ekonomik olduğunu gösteren uygulamalar hızla artmıştır (Andersson,1994; Andersson,1997; Andersson ve ark., 2000; Bakema,1998 ; He, Gustafsson ve Setterwall, 1998; Fieback ve Gutberlet, 1998; Kabus ve ark., 2000; Paksoy ve ark., 2000; Snijders ve Bakema, 1997; Wu, Ma ve Bink, 2000). Sadece Türkiye de TED sistemlerinin kullanılmasıyla ülke genelinde fosil yakıtlardan sağlanacak %10 luk tasarruf ile emisyonlarda beklenen azalma yılda en az 5,6 milyon ton CO 2, ton SO 2 ve ton NO x olacağı tahmin edilmektedir. (Paksoy ve Evliya., 2000) Termal Enerji Depolaması (TED) Termal enerji bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Atomik veya moleküler dönme, öteleme ve titreşim sonucu oluşur. Termal enerjinin aktarımı ısı akışıyla olur. Termal enerji depolama sistemleriyle ozon tabakasına zarar veren kloroflorokarbonlara (CFC) gereksinim duymadan doğrudan soğutma-ısıtma yapılabilmektedir. Elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme engellenebilmektedir. Böylece enerji santrallerine duyulan gereksinmeyi ve fosil yakıt kullanımını azaltarak çevreyi daha az kirleten çözümler sunmaktadır. Termal enerji depolaması kullanım süresine göre ikiye ayrılır. Bunlar kısa süreli depolama (gece-gündüz) ve mevsimlik depolama (yaz-kış) dır. Kullanım sıcaklığına göre sıcak depolama, soğuk depolama ve her iki amaçlı olan sıcak ve soğuk depolama olarak belirlenmiştir. Uzun dönem TED ile temel olarak hedeflenen, yazın sıcağını koruyup kışın kullanmak, veya kışın soğuğunu depolayıp yazın kullanmaktır. Termal enerjinin elde edilmesiyle kullanımı arasındaki zaman farkı enerji depolamasıyla kapatılabilir. Termal Enerji Depolama yöntemleri ısıl yöntem ve kimyasal yöntem olmak üzere ikiye ayrılır. Isıl yöntem duyulur ısı ve gizli ısıdan oluşurken, kimyasal yöntem tepkime ısısı, kimyasal ısı pompası ve termokimyasal ısı pompasından oluşur. 2

11 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Duyulur ısı depolama Duyulur ısı depolama yönteminde, ısı depolama materyalin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan duyulur ısıdan yararlanılır. Isı depolama sıvı, katı ve sıvı ile katının beraber olduğu hibrit materyallerde yapılabilir. Bu sistemde depolama ve geri kazanma süresince depolama materyalinin sıcaklığı değişir. Çok sayıda depolama ve geri kazanma çevriminin gerçekleşebilmesi bu sistemin avantajı, gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise dezavantajıdır Gizli ısı depolama Gizli ısı maddenin faz değişimi sırasında çevreden aldığı veya verdiği ısıdır. Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi duyulur ısıya göre daha küçüktür. Faz Değiştiren Maddeler (PCM, Phase Change Material) termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayabilen maddelerdir. Isı depolama materyalinin iç enerjisinin önemli oranda değişmesi, bu materyalin faz değiştirmesine neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesi ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Isı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda faz değişimlerine uğrayan ve gizli ısı değerleri yüksek olan materyallerden yararlanılır. Isı depolamaya uygun faz değişimleri; katı-katı ve katı-sıvıdır. Sıvı-buhar faz değişimi, gaz fazın depolanmasının basınçlı depolama kaplarını gerektirmesi gibi karşılaşılan sorunlar nedeniyle ısı depolamaya uygun değildir. Katı durumdaki bir materyal kristalleşerek diğer bir katı faza dönüştüğünde (katı-katı değişimi), kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanır. Materyal ilk durumdaki katı fazına yeniden dönüştüğünde, faz değişimi sırası da depolanan ısı da geri kazanılır. Katı-katı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Katı-sıvı faz değişiminde, diğer faz değişimlerine oranla daha az hacim değişimi gerçekleşir. Uygulamada hacimsel enerji depolama kapasitesi yüksek olduğundan sadece katı-sıvı veya kristalleşme ısısı yüksek olan katı-katı faz değişimleri pratik öneme sahiptir. Faz Değiştiren maddeler (PCM) inorganik ve organik olmak üzere iki alt gruba ayrılırlar. 3

12 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ İnorganik PCM lere tuz hidratları ve klarat hidratları örnek verilebilir. İnorganik PCM lerin avantajları; yüksek ergime ısısı, iyi termal iletkenlik, ucuz ve yanıcı olmamaları; dezavantajları ise korozif olmaları, aşırı soğuma göstermeleri, faz bozulması ve hidrat sayısında azalma şeklinde özetlenebilir. Organik PCM lere parafinleri ve yağ asitlerini örnek gösterebiliriz. Organik PCM lerin avantajları; kimyasal yönden kararlı, az veya hiç aşırı soğuma göstermemesi, korozif ve toksik olamamaları, yüksek ergime ısısı ve düşük buhar basıncı göstermeleri, dezavantajları ise düşük termal iletkenlik, faz değişimi sırasında büyük hacim değişimi, yanıcı olmaları şeklinde özetlenebilir. PCM de termal enerji depolama uygulamaları çok çeşitli olmakla beraber en çok kullanılma alanları (Mazman, 2000; Özonur, 2004; Gök, 2005); Yapı malzemelerinde binaların ısıtma ve soğutma yükünün azaltılmasında, Fotovoltaik elementlerin soğutulması, Tekstil Ev ısıtma ve sıcak su Gıda Medikal alanda (kan üniteleri) Motorlu taşıtlar için ısı depolama sistemi Taze gıdaların depolanması Sıcaklığa duyarlı cihazların soğutulması PCM ler hem ısıtma hem de soğutma sistemlerinde uygulanabilir. Yapı malzemelerinin yalıtım ve ısı aktarım özelliklerini geliştirmek için kullanılabilecek faz değiştiren maddeler parafinler, yağ asitleri, ötektik karışımlar, yağ alkolleri neopentil glikol ve inorganik PCM lerdir. Parafinik hidrokarbonlar, yağ asitleri ve yağ alkolleri düşük çözünürlüğe sahip maddeler olmakla birlikte su içerisinde hiç çözünmezler. Bu yüzden yapı malzemeleri uygulamaları için tercih edilirler. Erime entalpileri kj/kg arasında değişir. 4

13 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Termokimyasal Enerji Depolama Isı enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülerek uzun süre depolanabilir. Termokimyasal ısı depolamanın ilkesi; ekzotermik olarak tepkimeye girebilen iki veya daha fazla kimyasal bileşikte tersinir tepkimeler süresince kimyasal bağlarda ısı depolanmasına dayanır. Depolama sisteminin ömrü prensip olarak sınırsızdır. Kimyasal bağların tersinir olarak ayrışma ve birleşmesi sırasında, ısı değeri yüksek olan kimyasal tepkimeler gerçekleştiğinden, ısı depolama kapasitesi genellikle yüksektir. Termokimyasal yöntemle ısı depolayan sistemler, gizli ısı depolama sistemlerinden daha karmaşıktır. Sistemdeki bileşenlerin kendi aralarındaki olası etkileşimleri önemlidir. Yöntemin en önemli özelliği seçilen tepkimenin tersinir olmasıdır. Termokimyasal yöntemle ısı depolama tersinir kimyasal tepkimeler, kimyasal ısı pompası (absorpsiyonlu ısı pompası) ve termokimyasal ısı borularında yapılabilir. Tersinir kimyasal tepkimelerle ısı depolamada; endotermik bir tepkime kullanılarak depolanan ısı, ekzotermik olarak geri kazanılır. Tepkime sıcaklığında oluşan tepkime ürünleri ayrı ayrı depolanır; ısı, ürünlerin tekrar karıştırılması ve gerektiğinde katalizör eklenmesiyle geri kazanılabilir. Kimyasal ısı pompası, tersinir tepkimeler yardımıyla aralarında gaz bileşenin transfer edildiği iki alt sistemden oluşur. Kimyasal ısı pompası sistemlerinde, buhar yoğunlaşması ile açığa çıkan yoğunlaşma ısısı geri kazanılır. Termokimyasal ısı borularında kullanılan tepkimelerde, kolay yoğunlaşmayan gaz durumdaki reaktifler bulunur. Isı enerjisinin, ısı borusuyla uzun mesafelere iletilmesi için tepkime ürünlerinden yararlanılır. Termokimyasal ısı borusuyla ısı depolama teknolojisi, yüksek sıcaklıkta nükleer veya güneş enerjisi uygulamalarında ve endüstriyel kazanlardaki damıtma çevrimlerinde uygulanmaktadır. Güneş enerjisinin tersinir kimyasal tepkimelerle depolanması gelişme aşamasında olan yeni bir yöntemdir. Düşük sıcaklıktaki uygulamalar için kimyasal tepkimelerle ısı depolanmasına ilişkin önemli gelişmeler sağlanmış olmakla birlikte uygulamada karşılaşılan önemli sorunlar termokimyasal ısı depolama yönteminin yaygın olarak uygulanmasını sınırlandırmaktadır. 5

14 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Adsorpsiyonlu ısı depolama sistemleri metal-alumina-silikat maddelerinden olan zeolitlerin gözenekli yapısından yararlanırlar. Nemli hava adsorban malzemenin bulunduğu yataktan geçirilerek su buharının adsorplanması sağlanır, kuru sıcak hava aynı yataktan geçirildiğinde su buharını desorbe edip soğuyarak çıkar. Bu işlem sırasında desorpsiyon ısı depolanmasını adsorpsiyon da ısının geri kazanmasının sağlamaktadır (Hauer, 2002) Isı Depolama Sistemi Isı depolama yöntemi seçimi esas olarak; ısı depolama süresi, ekonomik uygulanabilirlik ve işletme koşullarına bağlıdır. Herhangi bir uygulama için ısı depolama yönteminin belirlenmesi, ısı depolamanın etkinlik ve ekonomik olması sistemin tasarımına bağlıdır. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin fazla olduğu ısı depolama materyallerinin kullanılması durumunda, ısı depolama için gerekli hacim azalır. Bir ısı depolama sisteminde bulunması gereken özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir (Özonur, 2004). Isı depolama materyalinin birim kütle veya hacmi için ısı depolama kapasitesi yüksek olmalıdır. Isı depolama materyali çalışma sıcaklığı aralığında uygun özelliklere sahip olmalıdır. Sistemde depolanan ısı bütünüyle geri kazanılabilmelidir. Isı depolama ve geri kazanma etkinliğinde azalma olmaksızın, çok sayıda depolama ve geri kazanma çevrimi gerçekleştirilebilmelidir. Isı depolama materyali korozif, toksik etkili ve yanıcı özellikte olmamalıdır. Sistem ucuz ve kullanım süresi uzun olmalıdır. 6

15 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ 1.2.Yeraltında Termal Enerji Depolaması (UTES; Underground Thermal Energy Storage) Termal Enerji Depolaması yer altında gerçekleştirildiğinde Yeraltında Termal Enerji Depolaması (UTES; Underground Thermal Energy Storage) adını alır. Yer altı özellikle termal enerji elde edilmesi ve depolaması için çok uygundur. Yeraltının depo olarak kullanılması sırasında izolasyona gerek yoktur. Isı pompası ile beraber kullanıldığı zaman Yer Kaynaklı Isı Pompası (GSHP) adını alır. Yeraltında TED uygulaması için pek çok teknik geliştirilmiştir (Andersson ve ark., 2000; Andersson, 1997). UTES teknikleriyle enerji tasarruf edilerek daha verimli kullanılır. Bu teknikler, klasik ısıtma/soğutma sistemlerine göre çevreyle daha uyumludur. Dünyada pek çok ülkede UTES tekniklerinin uygulamaları ve gelişimleri için araştırmalar devam etmekte; ve Uluslar arası Enerji Ajansı nın çalışmalarıyla giderek yaygınlaşmaktadır (Nordell ve Sehlberg, 1994; Nordell, 1997; Nordell, 2000). UTES teknikleri deponun kullanım amacına ve depolama ortamına göre sınıflandırılır. Şekil 1.1. Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) teknikleri (Andersson ve ark., 2003b). 7

16 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Depolama ortamı sadece su olduğunda; kaya oyuğu ve çukur depolaması yapılır. Depolama ortamı olarak hem toprağın, hem de suyun kullanılması halinde Akiferde Termal Enerji Depolama Sisteminde (ATED) gerçekleştirilir. Depolama ortamı yeraltındaki jeolojik formasyon olduğunda Kuyularda Termal Enerji Depolaması (KTED) yapılır. Sondajla açılan düşey veya yatay yer altı kuyusuna yerleştirilen uygun boru sisteminde ısı taşıyıcı akışkan dolaştırılarak termal enerji depolaması yapılır. UTES teknikleri içinde uygulamalar en çok, ATED ve KTED teknikleriyle yapılmaktadır. UTES teknikleri uygulanabilirliğinde yer altı jeolojik yapısı önemlidir. UTES teknikleri içerisinde özel bir jeolojik yapı gerektirmeyen tek sistem KTED uygulamasıdır Kuyularda Termal Enerji Depolaması (KTED) Kuyularda termal enerji depolamada yeraltına borular döşenerek, uygun bir ısı taşıyıcı akışkan ile depolama yapılır. Kuyular yatay veya düşey olarak kullanılabilir. KTED sisteminde kuyu bir ısı taşıyıcı akışkanla, etrafındaki jeolojik yapı arasında ısı değiştiricisi olarak kullanılır. Düşey KTED uygulaması için uygun bir sondaj tekniği kullanılarak bir kuyu açılır. Açılan kuyu içerisine ısı taşıyıcı akışkanın dolaştırılacağı bir boru sistemi yerleştirilir. Kuyu ve içindeki borular yeraltı ısı değiştiricisi olarak kullanılır. Yer altı ısı değiştiricileri ısı taşıyıcı akışkan ile yer altı jeolojik formasyon arasında ısı aktarımını sağlar. KTED ısıtma, soğutma veya her iki amaçlı uygulanabilir. Her iki amaç için kullanılan KTED sistemlerinde ısıtma ve soğutma yüklerinin eşit olması istenir. KTED uygulaması sırasında depolama yapabilmek için ekonomik olabilecek, uygulama amacına göre, sıcak veya soğuk enerji kaynakları bulunmalıdır. Sıcak enerji kaynağı olarak güneş enerjisi, endüstriyel veya ısı pompası atık ısısı kullanılabilir. Soğutma amaçlı KTED kaynağı olarak ise kış ortam havası, soğuk yüzey suları (göl, nehir vb. ) veya ısı pompası kullanılabilir. Depolanan enerjiler binaların ısıtma ve soğutmalarında kullanılabilir. KTED açık veya kapalı döngülü sistem olarak uygulanabilir. Açık döngülü KTED sistemlerinde, ısı taşıyıcı akışkan kanalla doğrudan temas halindedir. Akışkan 8

17 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ ve kayacın doğrudan temasından dolayı su kimyası önem teşkil eder. Isı değiştiricilerinde, çökelmelerden kaynaklı kabuklaşma veya korozyon problemleri olabilir. Açık sistemin avantajı ise, yer altı yapısı ve ısı taşıyıcı akışkan arasında iyi bir ısı transferi gerçekleşmesidir. Boru Duvarı Kanal Duvarı Koruyucu Kaplama Su Akışı Şekil Açık döngülü KTED uygulaması (Dikici, 2004) Kapalı döngü KTED sistemlerinin, uygulamaları açık sistemlere göre daha yaygındır. Genellikle kuyuya bir veya birden fazla U boru yerleştirilir. En çok kullanılan boru tipi U borudur. Uygulama amacına yönelik sıcaklık aralığındaki ısı taşıyıcı akışkan, boru sisteminde pompa vasıtasıyla kapalı döngüde dolaştırılır. Böylece akışkan yeraltını ısıtırken (soğuturken), kendisi soğuyarak (ısınarak) kanaldan dışarı çıkar. Tekrar ısıtılmak (soğutulmak) üzere bir ısı değiştiricisinden geçirilir. Isınan (soğuyan) akışkan tekrar yeraltına yollanır. Isı taşıyıcı akışkan seçimi, çalışma sıcaklık aralığına bağlı olarak yapılır. Genellikle su veya farklı yüzeylerde alkol-su karışımları kullanılabilir. Kapalı KTED sistemleri açık KTED sistemlerine göre daha az ısı transferi gerçekleşir. 9

18 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Yer yüzeyi Kanal Duvarı Dolgu Boru Sistemi Şekil 1.3. Kapalı Döngü KTED sistemi (Dikici, 2004) Düşey yer altı kanallarında faklı geometrilerde borular kullanılabilir. Kullanılan borular genellikle basınca dayanıklılığı yüksek olan yüksek yoğunluklu polietilen borulardır. En yaygın uygulaması tek U boru tipidir. Çift U boru veya koaksiyel borular da kullanılabilir. Şekil 1.4 de farklı geometrilerdeki boru kesitleri verilmiştir (Dikici, 2004). Tek U Boru Çift U Boru Basit Koaksiyel Kompleks Koaksiyel Şekil 1.4. KTED sistemlerinde kullanılan farklı geometrilerdeki boru kesitleri (Dikici, 2004) 10

19 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Termal Enerji Depolama Sistemlerinde yeraltında kuyularda depolamada düşey ısı değiştiricisi ile toprak arasındaki ısı aktarımını artırmak için dolgu malzemesi kullanılır. Dolgu malzemesi U boru ve yer altı kuyusu arasında kalan boşluklara yerleştirilir. Termal iletkenliği yüksek olan dolgu malzemesi kullanılarak sistemin termal performansı arttırılabilir. Böylece daha iyi bir ısı transferi sağlanmış olur. Bazı KTED sistemlerinde dolgu malzemesi olarak yer altı suyundan yararlanılmaktadır. Genellikle İsveç KTED sistemlerinin sert kaya içindeki kanallar sondaj yapıldıktan sonra yeraltı suyu ile kendilinden dolabilmektedir (Gehlin ve Hellström, 2000). Kuyu derinliği; yerel iklim, ısı pompası, soğuk ve sıcak depolama ve jeolojik formasyon tipine bağlıdır. Yeraltındaki ısı değiştiricisinin, akışkan ve toprak arasındaki ısı akısı için minimum dirençte ve minimum uzunlukta olması istenir. Isı değiştirici etrafındaki dolgu malzemesinin seçimi sistemin performansı ve ekonomik bakımdan büyük bir etkiye sahip olabilir. Böylece daha iyi bir ısı transferi sağlanmış olur (Remund ve Lund, 1996; Kjellson ve Hellström,1997). Yüksek termal performans gerekli kuyu derinliği ve boru uzunluğunu azaltacağından, sistemin yatırım maliyeti de düşecektir. Dolgu malzemesi kullanımın sebepleri; Sondaj sırasında yüzeyden gelebilecek kirlilikleri engellemek. Akifer içindeki suyun göçmesini engellemek. Koruyucu kaplama boyunca olan sızıntıyı engellemek; artezyen formasyonunun hidrolik özelliklerini korumak. Plastik kuyu kaplama yapıldığında yapısal dayanıklılık sağlamak. Koruyucu kaplamalardaki eksiklikler ya da aşınmalara karşı korumak. İyi bir dolgu malzemesinin özellikleri ise aşağıdaki gibi olmalıdır (Gaber ve Fisher, 1988). Suyun akışına direnmek için düşük geçirgenliğe sahip olmak. Sıkı bir şekilde yarıkları doldurmak için hem koruyucu hem de kuyu duvarı ile bağlanabilmelidir. Formasyon malzemesi veya yeraltı suyu bileşenleri ile kimyasal olarak inert olmalıdır. Kolayca karışmalıdır. 11

20 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ Kıvamı (yoğunluğu) pompalanacak düzeyde olmalıdır. Pompa ekipmanından kolayca temizlenebilmelidir. Minimum düzeyde güvenilir ve zararsız olmalıdır. Ucuz olmalıdır. Geçirgen bölgelere girmelidir. İyi bir ısı transferi için yüksek bir termal iletkenliğe (λ) sahip olmalıdır. Yüksek nem içeren kil tabanlı materyallerin ısı transfer kapasiteleri hakkında az bilgiye sahip olunmasına rağmen bentonit dolgu maddeleri GSHP ve UTES sistemlerinde dolgu malzemesi gibi kullanılır. Bu amaçla birçok uygulamada bentonit kullanılmaktadır. Bentonitin yüksek derecede koloidal ( 10 7 ila 10 4 cm çapları arasında değişen ve çıplak gözle görülemeyen partiküller) özellikler göstermesi, suya karşı ilgili olup şişme yapması, fakat büzülmemesi, çok küçük taneciklerinin orijinal hacminin katına çıkabilmesi dolgu malzemesi olarak seçilmesindeki başlıca nedenlerdir. Bentonit, volkanik kül veya tüf gibi, camsı volkanik gerecin kimyasal ayrışmasıyla ve bozuşmasıyla ortaya çıkan ve son derece küçük kristaller halindeki kil minerallerinden (başlıca montmorillonit grubu) oluşan ve büyük ölçüde kolloidal silisten ibaret, yumuşak, şekillenebilir, gözenekli ve açık renkli bir kayadır. Kimyasal formülü Al 4 Si 8 O 20 (OH) 4.nH 2 O, özgül ağırlığı 2.7-2,8 g/cm 3 tir ( Son yıllarda yapılan çalışmalar da bentonit dolgu maddesinin düşük termal iletkenliğe sahip olmasından dolayı dolgu maddesi içindeki oranı azaltılarak, çimento tabanlı dolgu maddeler kullanılmaya başlanmıştır. Sistemin etkinliğini artıracak, ucuz ve kolay bulunabilir yeni bir dolgu maddelerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, laboratuarda hazırlanan kuyu modelinde farklı dolgu malzemesi karışımları denenecektir. Dolgu karışımlarında daha önce denenmemiş olan ve ülkemizde zengin kaynakları bulunan bazalt kullanılacaktır. Kullanılan dolgu maddelerinin tanecik büyüklükleri ve termal özellikleri araştırılacaktır. Isıl direnç, ısıl iletkenlik, uygulanabilirlik ve ekonomik açıdan en uygun olan dolgu malzemesi 12

21 1. GİRİŞ Metin Özer YILMAZ önerilecektir. Ayrıca, dolgu malzemesi olarak faz değiştiren maddeler kullanılarak KTED sistemlerinden kısa süreli termal enerji depolama olanakları araştırılacaktır. 13

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Remund ve Lund KTED (1996) sistemleri için ısıl iletkenliği arttırıcı bentonit dolgu maddeleri kullanmışlardır. Isıl iletkenlik bentonit yüzdesinin bir işlevi gibi kullanılmış olup eklenen katkı maddelerinin yüzdelerinin çeşitli oranlarda bentonit ile karıştırıp ve katkı maddelerinin ısıl iletkenlik üzerinde etkilerini incelemişlerdir. Bentonitin ısıl iletkenliği 0,7-08, W/mC arasındadır ve buradaki KTED sistemlerinde kullanılan sondaj çamurunun iletkenliğinden 2 3 kez daha düşüktür. Kuvartz, kum, mika,kil ve demir eklendiğinde ısıl iletkenlik %10-%70 oranında artmıştır. İlave edilen maddelerin karışım yüzdeleri %3-36 Bentonit + %70 ilave su veya %3-36 bentonit + % 50 ilave su şeklindedir. Sonuçlar Çizelge 2.1 de verilmiştir. Bentonitin %36 dan fazla kullanıldığında dolgunun vizkositesinin arttığı ve akmadığı gözlenmiştir. Ayrıca kilin karışıma %30 dan fazla konmaması önerilmiştir. Karışıma %50 kil ilavesinde aşırı kalınlaşma olduğunu belirtmişledir (Çizelge 2.1.). Çizelge 2.1. Bentonite Farklı Dolgu Malzemelerinin İlavesiyle λ(w/m,k) Sonuçları (Remund ve Lund, 1996) Temel Dolgu % İlaveler (% ağırlık) Isıl İletkenlik Saf Bentonit - 0,75 Bentonit (3-36) Kuvars % 70 2,35 Kum % 70 1,79 Kireç taşı % 70 1,56 Demir cevheri % 70 1,46 Bentonit (3-36) Kuvars % 50 1,65 Kum % 50 1,35 Kireç taşı % 50 1,26 Demir cevheri % 50 1,17 Kil % 50 1,13 Remund (1999) tarafından yapılan laboratuar ve saha çalışmalarında, açılan kuyulara U boru üç farklı konfigürasyonda yerleştirilip, kanal ısıl direnci belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonuçlarından kuyunun ısıl direncinin kuyu çapı, U 14

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ borunun dış çapı, dolgu malzemesinin ısıl iletkenliği ve kuyudaki U boru konfigürasyonuyla olan ilişkisi gösterilmiştir. Saha çalışmaları sonuçlarında ise dolgunun ısıl iletkenliğinin 0,74-1,47 (W/mK) e artmasıyla toplam direncin %15,3-19,5 azaldığı tespit edilmiştir (Remund, 1999). Farklı iki kuyuda soğutma ve ısıtma saha çalışmaları yapılarak yerin ısıl iletkenliği hesaplanmıştır. Bunun için yerin ısıl özelliklerini önceden bildiren bir deneysel cihaz yapılarak sıcaklık verileri alınmıştır. Saha çalışmalarının sonuçları laboratuar sonuçlarıyla uyum içindedir. Isıl iletkenlik, λ ısıtmayla yapılan deneylerde soğutmayla yapılan deneylere göre daha yüksek bulunmuştur. Bu farklılık yeraltındaki doğal konveksiyon ısı aktarımına bağlanmıştır. Ayrıca sonuçlar iki boyutlu sonlu elemalar modeliyle elde edilen parametrelerle de karşılaştırılmıştır (Witte ve ark., 2002). Standart bentonit ve termal olarak iyileştirilmiş dolgu malzemelerini karşılaştırarak Yer altı Termal Enerji Depolama sistemlerin performansı ve kuyu uzunluklarına etkisini incelemişlerdir. Isı transfer hızının artırılması sistem fiyatını ve dolayısıyla kuyu uzunluğunu kısaltır. Isı transfer hızındaki anlık % 10 luk artış dolgu ile dolu kuyuda toplam ısı transferinde % 25 lik artışa neden olmuştur (Carlson, 2000). KTED sistemlerinin tasarımında çimentolu dolgu malzemelerinin etkileri ve ısıl iletkenlikleri araştırılmıştır. Dolgu malzemelerinin ısıl iletkenlikleri, ısıl iletkenlik cihazı ile tespit edilmiştir. Laboratuar çalışmasında dolgu olarak silika kum, bentonit, plastikleştirici, silikon karpit ve farklı oranlarda su ve çimento karışımı kullanılmıştır. Bu malzemelerin farklı karışımlarından hazırlanan dolgu malzemelerinin ısıl iletkenliklerinin 1,7-3,3 (W/mK) arasında olduğu bulunmuştur. Silikon karpit tabanlı dolgunun Isıl iletkenliği 2,725-3,302 (W/mK) arasında bulunmuştur. Silikon karpitin yüksek ısıl iletkenliğine rağmen pahalı oluşu ve dolgunun sağlamlığına olumsuz etkisinden dolayı önerilmemektedir. Silika kumun ekonomik bakımdan kullanılabilir bir katkı maddesi olduğunu bulmuşlardır. (Allan ve Kavanaugh,1999). 15

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ Çizelge 2.2. Çimentolu Dolgu Maddesinin Farklı Su ve Çimento Oranlarında Isıl İletkenliği (Allan ve Kavanaugh,1999) Termal iletkenlik (λ) Dolgu Malzemesi Su/Çimento W/(m.K) % Kütle kaybı oranı Nemli Kuru Çimento+Superplastikleştirici Çimento Çimento Çizelge 2.3. Çimento Tabanlı Dolgu Maddesine Farklı Katkı Maddelerinin Eklenmesi ile Dolgunu Isıl İletkenliği (Allan ve Kavanaugh,1999). Su/Çimento Katkı Termal iletkenlik (λ) % Kütle kaybı Dolgu Malzemesi oranı maddesi/ Çimento oranı W/(m.K) Nemli Kuru Silika Kum Silika kum Silika kum Saf silikon karpit Saf Alüminyum oksit Saf olmayan alüminyum oksit KTED sistem maliyetine farklı dolgu malzemeleri kullanılmasının etkileri Spilker tarafından farklı çaplardaki dört adet düşey kuyuda yapılan çalışmalarda araştırılmıştır. Standart bentonit kullanıldığında sistemin yatırım maliyetinin arttığı görülmüştür. Standart bentonitin yerine ince kum kullanılması halinde, gerekli kuyu (0,16 m çap için) derinliğinin %49 daha az olabileceği bulunmuştur. Kullanılan yer altı ısı değiştiricisi boru uzunlukları böylece daha kısa olabilmektedir (Çizelge 2.4. ) (Spilker, 1998). 16

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ Çizelge 2.4. Farklı Dolgu Malzemelerinin Kanal Uzunluğuna Etkisi (Spilker, 1998) Kanal Çapı (cm) Dolgu Malzemesi Kanal Derinliği (m) İnceltilmiş Kum Isıl olarak zenginleştirilmiş Bentonit Standart Bentonit Standart Bentonit 290 Isıl iletkenliği belirlemek için Halifax ın Novascotia şehrinde bir saha çalışması yapılmış olup, termal iletkenlik, (λ) 2,39 W/mK ve yaklaşık olarak ısıl direnç, (R b ) 0,06 K(W/m) bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar o bölgenin kayaç yapısının ısıl özellikleriyle karşılaştırıldığında daha düşük oldukları görülmüştür. Akışkan olarak %60-%40 glikol karışımı kullanılmıştır (Cruickshanks ve ark, 2000). Belçika nın Mol kentinde yer altı kaynaklı ısıl termal iletkenlik ve direnç testleri yapılmıştır. 3 farklı ısıl duyarlılık cihazı ile birkaç metre aralıklarla aynı jeoloji formasyonda açılan 30,5 m derinliğinde açılan çift U boru kullanılan 3 kuyuda farklı dolgu maddeleri denenmiştir. Elde edilen sonuçlar Çizelge 2.5 te verilmiştir. (Sanner ve Mands, 2000). Çizelge 2.5. Farklı Dolgu Malzemelerinin λ ve Rb (Sanner ve Mands, 2000). Dolgu Malzemesi Groenholland UBEG LTW Kum Kum λ=2,47 W/mK R b =0,06 K/(W/m) λ=2,40 W/mK R b =0,1 K/(W/m) λ=2,47 W/mK R b =0,05 K/(W/m) λ=2,51 W/mK R b =? Bentonit λ= 1,86 W/mK R b =0,08 K/(W/m) λ=2,48 W/mK R b =0,13 K/(W/m) 17

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ Büyük binalarda kullanılan KTED ler için Almanya da ısıl duyarlılık testi yapılmıştır. Bunun için Mobil test cihazı kullanılmış olup belirli jeolojik formasyonlarda ısıl iletkenlik ve direnç hesabı yapmışlardır (Sanner ve ark., 2000). Kjellsson ve Hellström kuyu sisteminde kullanılan farklı tipteki ve geometrideki boruların yüksek akışkan sıcaklıklarının (15-45 C) ve ısı akısının (40-90 W/m) kuyunun ısıl direncine etkilerini görebilmek ve KTED sistemlerini ticari açıdan uzunluğunu ve büyüklüğünü belirlemek için bir laboratuar modelinde çalışmışlardır. Akışkan olarak %25 lik propilen glikol kullanılmıştır (Kjellsson ve Hellström, 1997). İsveç te kanalda depolama sitemlerinde farklı konfigürasyondaki U borular ile ısı duyarlılık testi yapılmıştır. Kanal depolama sistemlerin ısıl direncini ve ısıl iletkenliğini ölçerek aynı dolgu malzemesiyle yapılan laboratuar örneklerin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Çift U boru sisteminin ısıl direnci tek U borulu sisteme göre genel olarak yaklaşık %50 daha düşük bulunmuştur. Hesaplamalarda sabit ısı akısı modelini kullanmışlardır ( Çizelge 2.6. ) (Gehlin ve Hellström, 2000). Çizelge 2.6. Farklı Boru Tiplerinin Kullanıldığı KTED Sistemlerinde Rb Değerleri (Gehlin ve Hellström, 2000). Yapı Şekli Laboratuar- R b (K/(W/m)) IDT- Rb (K/(W/m)) Tek U borulu KTED 0,052-0,065 0,056 Çift U borulu KTED 0,026-0,038 0,025 Açık sistem KTED - 0,015 Saha çalışmalarında farklı dolgu malzemeleri ve farklı çapta boru konfigürasyonları kullanarak; kanal çapı, dolgu miktarı ve dolgunun termal iletkenliğinin Yer altı termal enerji depolama sitemlerinde ilişkisini incelenmiş ve uygun fiyatla etkin sistemler yapmak için ısı performans testleri yapılmıştır (Simith ve Perry, 1999) ABD de Yer altı termal enerji depolama sitemlerinde sistemlerinin tasarımında dolgu kullanımı için belirli düzenlemeler getirilmiştir. Bu 18

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ düzenlemelerin amacı yer altı suyunun kalitesini korumaktır. Kullanılan dolgu malzemeleri yüksek dayanımlı bentonit-çimento karışımıdır (Karen, 2000). Saha çalışmalarında toprağın ısı özelliklerini tespitinde yeni bir model geliştirilmiştir. Tek boyutlu nümerik ısı transfer modeline dayanan metot ile kanalın ısıl iletkenliği ve toprağın ısıl direncini hesaplamışlardır. Bu metod ile yapılan hesaplamalar kısa süreli voltaj değişimlerinden kaynaklanan ısı akısındaki oynamalardan etkilenmemektedir. Isıl direnç hesaplanmasında dolgu malzemesinin ısıl direnci hesaba katılmamıştır (Shonder ve Beck, 2000). Saha çalışmalarında kuyuların ısıl direnç hesaplamalarında sabit ısı akısı modeli kullanmışlardır. (Beier ve Smith, 2002). KTED uygulamalarında sistem performansını arttırmak için dolgu malzemeleri kullanmışlardır. U boru olarak bakır seçilmesinin sebebi ısıl direncinin oldukça düşük olması ve U boru içindeki akışkan sıcaklığıyla boru yüzeyindeki sıcaklık farkının çok az olabilmesidir. Dolgu malzemesi olarak bentonit-kum ve bentonit-toz bakır-su karışımları kullanılarak kuyunun ısı performansını incelemişlerdir. Bakırın küçük tanecikli yerine daha büyük bakır taneciklerinin kullanılmasıyla sistem performansının arttırılabileceğini belirtmişlerdir (Gu ve O Neal, 1998). Gu ve O Neal (1998), % 12.5 bentonit + % 25 kum + % 62.5 su karışımını dolgu malzemesi olarak denemişlerdir (Çizelge 2.7.). Dolgu malzemesi olarak bahsedilen karışımın ısıl iletkenliği ve özgül ısısı daha yüksektir. Çizelge 2.7. Dolgu Malzemesi Normal Yer Altı Formasyonu Fiziksel Özellikleri(Gu ve O Neal 1998). Fiziksel Özellikler Yer altı toprak örneği Dolgu malzemesi Isıl İletkenlik (W/m,K) Özgül Isı (J/kg,K) Yoğunluk (kg/m 3 ) Çimento dolgu malzemelerinin ısıl özelliklerini arttırıcı laboratuar çalışması yapmışlardır. Dört farklı karışımlarda dolgu örnekleri test edilmiş olup, bunların ısıl 19

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ iletkenliğini deneysel ve teorik olarak ısıl direncini hesaplamışlardır. Çimentolu dolgu malzemelerinde yüksek miktarda su bulunması pompalanabilmesini kolaylaştırır. Fazla çimento kullanımı dolgunun geçirgenliğini artırırken, dayanıklılık ve iletkenliğini azalttığını bulmuşlardır (Kavanaugh ve Allan, 1999). Aynı koşullarda tasarlanan aralarında 30 m mesafe bulunan, iki adet 160 m derinliğinde 0,152 m çapında KTED de elektrikli ısıtıcı kullanarak ısıl duyarlılık test (IDT) deneyleri yapılmıştır. İki kuyunun açıldığı bölgede yer altı suyu akışı yoktur. Dolgu malzemesi olarak bentonit yerine kuvartz-kum kullanılmıştır. Deney sonuçları birbirinden % 10 farklıdır. Deney süresi 5,5 gün olan kanalda λ ve R değerleri sırasıyla 3,0 W/m,K, 0,088 K/(W/m) iken, test süresi 6,5 gün olan kanalda λ ve R değerleri 3,0 W/m,K, 0,104 K/(W/m) dir (Pahud, 2001). Hollanda firması Groenholland tarafından ısı pompalı IDT cihazıyla deneyler yapılmıştır. Deneyler genellikle GSHP tasarım veya uygulama bölgelerinde gerçekleştirilmiştir. Londra da bir kilisenin GSHP ile ısıtma-soğutma tasarımı için açılan iki adet 50 m lik kuyuda ısı yollanarak (33,2 W/m) ve çekilerek (-27,2 W/m) deneyler yapılmıştır. Deney sonuçları; jeolojik örneklerle yapılan laboratuar deneyleri ve tablo değerleriyle kıyaslanmıştır. Hem laboratuar hem de tablolardan elde edilen λ sonuçları, IDT deney sonuçlarından daha düşük bulunmuştur. Toprak profillerinde su tabakasına rastlanmamıştır. Beklenen ısıl iletkenlik 0,8 W/m,K iken, IDT yle sırasıyla 1,38 ve 1,43 W/m,K iletkenlik değerleri elde edilmiştir. Sonuçların bu şekilde yüksek çıkması KTED yatırım maliyetini % 25 azaltır. Temelde aynı olan iki kanalın IDT sonuçları farklıdır. Bu durum; ısıl iletkenliğin yüksek olduğu kanalın nemle doymuş toprak yapısında olmasıyla açıklanmıştır (Dikici, 2004; Pahud, 2001). Lulea da farklı tipteki boruların kullanıldığı; yeraltı suyu ile kendiliğinden dolmuş ve dolgulu KTED sisteminde elde edilen λ (W/m,K) değerleri verilmiştir. Kanallar 63 m derinliğinde ve 0,15 m çapındadır. Normalde yer altı suyu ile dolan kanallardan biri doğal taşınım etkisini araştırmak için kumla doldurulmuştur. Böylece yeraltı suyu ile oluşan doğal taşınım etkisi kaldırılmıştır. Yeraltı suyu ile dolu olan, tek U borulu KTED ve çift U borulu KTED için λ (W/m,K) değerleri eşit bulunduğu halde, tek U borulu dolgulu KTED için daha düşük olan 3,45 (W/m,K) elde edilmiştir (Dikici, 2004). Laboratuarda aynı kanaldan alınan sondaj 20

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ örneğiyle yapılan deneylerden elde edilen ortalama değeri ise IDT sonuçlarından daha düşüktür (Çizelge ) (Nordell, 1994a). Çizelge 2.8. IDT ve Laboratuarda Elde Edilen λ (W/m,K) Değerleri (Nordell, 1994a). Boru Test Tipi Dolgu Malzemesi λ (W/m,K) Tek U -IDT Yeraltı suyu 3,62 Çift U -IDT Yeraltı suyu 3,62 Tek U-IDT Kum 3,45 Sondaj Örneği-Laboratuar - 3,4 Düşük sıcaklıkta (0-120ºC) faz değiştiren organik ve inorganik maddelerle ilgili günümüze kadar yapılan 261 araştırma yapılmıştır ( 2003). Organik maddeler olarak parafinler, yağ asitleri ve karışımları kullanılmıştır. İnorganik maddeler olarak tuz hidratları ve karışımları kullanılmıştır Organik bileşiklerde depolamada gerekli depolama hacminin fazla olması gibi bir dezavantaj olsa da, bileşimlerini değiştirmeden eğrime, kendi kendine kristalleşebilme, aşırı soğumadan donabilme ve geleneksel tasarım modelleriyle uygun olarak kullanabilme gibi üstünlüklerinden dolayı bu konudaki çalışmalar daima zorunlu ve ilgi çekici olmuştur (Mazman, 2000). Parafinler düşük sıcaklıktaki uygulamalar için kullanılabilen organik kimyasallardandır. Ancak pahalı oluşu ve ihtiyaç duyulan her sıcaklık aralığına uygun parafinlerin bulunmaması gibi dezavantajlara sahiptirler (Heine ve Abhat, 1978). Türkiye de PCM depolaması sistemi 180 m2 lik bir serayı ısıtmak için denenmiştir. Güneş enerjisi 6000 kg parafin içeren tank içinde mevsimlik olarak depolanmıştır (Baştençelik, Paksoy ve Öztürk, 1996). Isı depolama uygulamaları için uygun organik PCM materyallerinin faz dengeleri araştırılmış ve bu PCM lerin absorpsiyonlu ısı pompalarının daha verimli çalışabilmesi için nasıl kullanılabileceği konusunda bir fizibilite çalışması yapılmıştır (Martin, 2002). Bina elementlerinde kullanılan çoğunlukla parafin ve tuz hidratının gözenekli bir yapıya absorpsiyonu sonucu elde edilen faz değiştiren maddelerin termal 21

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Metin Özer YILMAZ depolama performansları simülasyon ile analiz edilmiştir. Bu simülasyon ile faz değiştiren depolama elementleri için matematiksel bir model tanımlanmıştır (Kitano ve ark., 2002). 22

31 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ 3. MATERYAL VE METOD 3.1 MATERYAL Deney süresince kullanılan malzemeler; bir polietilen U-boru, kuyu olarak kullanılacak PVC boru, sisteme sabit sıcaklıkta su gönderilmesi için tank ve sirkülasyon pompası, kuyu termal enerji depolama (KTED) modeli için tank, kuyu içindeki farklı bölgelerdeki sıcaklıkların ölçülüp kaydedilmesi için sıcaklık ölçer (Data-Logger) ve seziciler kullanılmıştır. Deneysel çalışmada dolgu maddesi olarak farklı tanecik büyüklüğünde bazalt minerali kullanılmıştır. Ayrıca dolgu malzemesi olarak faz değiştiren maddeler kullanılarak düşük sıcaklıkta KTED sistemlerinde kısa süreli termal enerji depolama denenmiştir Deney Düzeneği KTED modeli için tank Deney düzeneğinin kesiti Şekil 3.1. de ve üç boyutlu görüntüsü Şekil 3.2. de verilmiştir. KTED modeli için bir kenarı 0.44 m olan küp şeklinde metal bir tank kullanılmıştır. Tankın dış yüzeyi cam yünü ile yalıtılmıştır. Tank içinde bir adet U boru ve U borunun yerleştirileceği bir adet kuyu boru kullanılmıştır. 23

32 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ U-boru Tank Kuyu boru Jeolojik formasyon Yalıtım Dolgu maddesi Şekil 3.1. Kuyuda Termal Enerji Depolama (KTED) modeli kesiti Su Isıtıcısı Su ısıtıcısı 0.50 x 0.51 x 0.57 m 3 hacminde metal bir tanktır. Tanka özellikleri Çizelge 3.1 de verilen TU-16A marka termostatlı bir ısıtıcı takılmıştır. Sistemin sabit sıcaklıkta kalması için ısıtıcı deney süresi boyunca çalıştırılmıştır. Su ısıtıcısı -40ºC den +200ºC ye kadar kontrollü bir sıcaklık elde etme ve istenilen bir sıcaklıkta sıcaklığı sabitleyebilme imkanı sağlamaktadır. -40ºC/5ºC aralığındaki uygulamalarda Techne Fridge Unit denilen bir soğutucu üniteye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada su tankın sıcaklığı bazalt örneği için 42ºC ve faz değiştiren maddeler için erime noktalarına uygun olacak şekilde farklı sıcaklıklarda tutulmuştur. 24

33 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ Çizelge 3.1. Kullanılan TU-16A Model ısıtıcının özellikleri Uygulama aralığı -40ºC den +200ºC ye kadar Çalışma aralığı +5ºC den +200ºC ye kadar Sıcaklık değişimi ± 0,005ºC Seçilen sıcaklığın doğruluğu ± 2,1 %, 2% Sıcaklık yükselme aralığı 2ºC Su tankı KTED modeli Sekil 3.2. KTED modelinin üç boyutlu görüntüsü 25

34 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ U-boru ve Kuyu boru KTED modelinde ısı taşıyıcı akışkanın dolaştırılacağı U-boru iki borunun U şeklinde birleştirilmesiyle yapılmıştır. U-boru kuyu borunun içine yerleştirilir. Kullanılan boruların özellikleri Çizelge 3.2 de verilmiştir. Çizelge 3.2. U Boru ve Kuyu Borunun Özellikleri U boru Dış çap : 0,02 m Kuyu boru Çap: 0,11 m İç çap: 0,012 m Et kalınlığı: 0,005 m Et kalınlığı :0,004m Dıştan dışa çapı: 0,085 m Uzunluk: 0,44 m Cinsi: PVC (Polyvinilklorür) Uzunluk: 2 X 0,40 m Cinsi: PE (Polietilen) Sirkülasyon Pompası Su tankından U-boru boyunca akışkanın dolaştırılması için için Halm marka HUP 2000 serisi su sirkülasyon pompası kullanılmıştır. Tek fazlı dalgalı akım 230 V, 50 Hz üç devir hızı kademelidir. Çevreye fazla zarar vermeyen bir reçine-kuvarskum karışımından döküm olan stator, motorun güvenli çalışmasını ve çalışma düzgünlüğünü arttırmaktadır. Motorun devir hızı deneyler sırasında en alt düzeyde çalıştırılmıştır. Çizelge 3.3 de sirkülasyon pompasının devir sayıları ile ilgili bilgiler verilmiştir. Çizelge 3.3. Su Sirkülasyon Pompasının Devir Sayısı Devir sayısı A W 1 0, , ,

35 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ Sıcaklık Ölçer (Data- Logger) ile Sıcaklık Ölçme Metodu Sıcaklık ölçer seziciler yardımı ile ölçüm alarak verileri özel veri tabanında kaydeder. Üzerinde bulunan işletim sistemi sayesinde istenen amaca hizmet etmek üzere farklı programlar hazırlanabilir. Bu programlar sayesinde bir çok şekilde ölçüm alınabilir ve harici aygıtlar kontrol edilebilir. Çalışmalar sırasında kullanılan Campbell marka sıcaklık ölçerin modeli CR10X dir. CR10X datalogger programını oluşturmak için kapsamlı işletim, matematik ve program kontrol komutları içermektedir. Veriler ve programlar kalıcı flash bellekte veya pil destekli SRAM de saklanır. Standart hafıza, 2 adet son Kayıt bölümünde 62,000 veri noktasında saklar. Standart çalışma sıcaklığı -25 ile +50ºC arasındadır. Aşırı şartlarda CR10X - 55 ve +80ºC aralığında test ve garanti edilmiştir. CR10X ölçüm, kontrol modülü ve takıp çıkarılabilir kablo panelinden oluşmaktadır. Deney için kullanılan program Campbell Scientific destekli CR10X uyumlu SCWin-Short Cut for Windows 2.4 adlı yazılım programıdır(ek1) Şekil 3.3. Sıcaklık Ölçer (Data-Logger) CR10X Model 107 Sıcaklık Algılayıcısı 27

36 3. MATERYAL VE METOT Metin Özer YILMAZ 107 sıcaklık probları (Çizelge 3.4, Şekil 3.4) sıcaklık ölçümleri için termistör kullanmaktadır. Hava, toprak ve su sıcaklığı ölçümleri için tasarlanmıştır. 21 ps basınca kadar su içine batırılabilir. Çizelge 3.4. Model 107 Sıcaklık Algılayıcısının Özellikleri Sıcaklık ölçüm aralığı -35ºC +50ºC Çalışma aralığı -50ºC +100ºC Karalılık 24ºC ile 48ºC arasında ± 0.4ºC Şekil 3.4. Model 107 Sıcaklık Algılayıcısı Model 105T Sıcaklık Algılayıcısı 105T sıcaklık problarının (Şekil 3.5) genel amacı toprak içindeki sıcaklığı ölçmektir. Kablo çapı 0.8 cm ve sıcaklık ölçüm aralığı -78 ve +50ºC dir. 28